隧道工程教案05

1、.重庆交通大学教案PAGE ：.；PAGE 94第5章 隧道围岩分级与围岩压力隧道工程所赋存的地质环境的内涵很广，包括地层特征、地下水情况、开挖隧道前就存在于地层中的原始地应力形状、地温梯度等。因此，隧道围岩的稳定性是反映地质环境的综合目的。也是我们建筑隧道工程对围岩特征研讨的重要内容之一。隧道围岩压力是指隧道开挖后，围岩作用在隧道支护上的压力，是隧道支撑或衬砌构造的主要荷载之一。其性质、大小、方向以及发生和开展的规律，对正确地进展隧道设计与施工有很重要的影响。5.1 隧道围岩分级及其运用 隧道围岩分级是正确地进展隧道设计与施工的根底。一个较好的、符合地下工程实践情况的围岩分级，多改善地下构造

2、设计，开展新的隧道施工工艺，降低工程蛰价，多快好省地建筑隧道，有着非常重要的意义。 借用苏联的岩石巩固系数进展分类，即通常所谓的普氏系数f值。在长期大量的地下工程实际中发现：这种单纯以岩石巩固性主要是强度目的为根底的分类方法，不能全面反映隧道围岩的实践形状。逐渐认识到：隧道的破坏，主要取决于围岩的稳定性，而影响围岩稳定性的要素是多方面的，其中隧道围岩构造特征和完好形状，是影响围岩稳定性的主要要素。隧道围岩体的强度，对隧道的稳定性有着重要的影响，地下水、风化程度也是隧道围岩丧失稳定性的重要缘由。从围岩的稳定性出发，1975年编制了我国“铁路隧道围岩分类，这个分类由稳定到不稳定共分六类，替代了多年

3、沿用的从岩石巩固性系数来分级的方法。我国公路隧道围岩分级起步较晚，随着我国经济的开展，公路交通得到较大的开展，大量的公路隧道建筑，需求有一个适宜我国工期的公路隧道围岩分级，于1990年，根据我国铁路隧道的围岩分级为根底，编制了我国“公路隧道围岩分级。 从国内外的开展中可以看出，以隧道围岩的稳定性为根底进展分级是总的趋势。但分级目的方面，大多数正在从定性描画、阅历判别向定量描画开展。5.1.1隧道围岩分级的要素目的及其选择围岩分级的目的，主要思索影响围岩稳定性的要素或其组合的要素，大体有以下几种：1单一的岩性目的普通有岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量等物理力学参数；岩石的抗钻性、抗爆性等工程目的。

4、在一些特定的分级中，如确定钻眼效果、炸药耗费量等，土石方工程中划分岩石的软硬、开挖的难易，均可采用岩石的单一岩性目的进展分级。普通多采用岩石的单轴饱和极限抗压强度作为根本的分级目的，具有实验简单，数据可靠的优点。但单一岩性目的只能表达岩体特征的一个方面，用来作为分级的独一目的是不适宜的。如老黄土地层，在无水的条件下，强度虽然低，但稳定性却很高。2单一的综合岩性目的以单一的目的，反映岩体的综合要素。这些目的有岩体的弹性波传播速度 弹性波传播速度与岩体的强度和完好性成正比，其目的反映了岩石的力学性质和岩体的破碎程度的综合要素。岩石质量目的RQD 是综合反映岩体的强度和岩体的破碎程度的目的。所谓岩石

5、质量目的是指钻探时岩心复原率，或称为岩芯采取率。钻探时岩芯的采取率、岩芯的平均和最大长度是受岩体原始的裂隙、硬度、均质性的影响的，岩体质量的好坏主要取决于岩芯采取长度小于10cm以下的细小岩块所占的比例。因此，岩芯采取率是以单位长度钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例来判别的。即 RQD 10cm以上岩芯累计长度 100 5.1.1单位钻孔长度 岩石质量目的分级以为： RQD 90 为优质； 75 RQD 90 为良好； 50 RQD 75 为好； 25 RQD 50 为差；RQD 25 为很差。围岩的自稳时间 以被以为是综合岩性目的，隧道开挖后，围岩通常都有一段暂时稳定的时间，不同的地质环境，

6、自稳时间是不同的，劳费H.Lauffer以为隧道围岩的自稳时间ts可用下式表示：ts = 常数 L(1a) 5.1.2式中：L 隧道未支护地段的长度；a 视围岩情况在01之间变化，好的岩体可取 a =0;极差的 a = 1。劳费H.Lauffer根据围岩的自稳时间和未支护地段的长度，将围岩分为： 稳定的、易掉块的、极易掉块的、破碎的、很破碎的、有压力的、有很大压力的七级。详细的取值规范可参考有关专著。单一综合岩性目的普通与地质勘察技术的程度有关，因此，其运用遭到一定的限制。3复合目的是一种用两个或两个以上的岩性目的或综合岩性目的所表示的复合性目的。具有代表性的复合目的分级，是巴顿N.Barto

7、n等人提出的岩体质量Q目的，Q综合表达了岩体质量的六个地质参数，见下式： Q RQD/ Jh( Jr/ Ja) ( Jw / SRF) 5.1.3 式中 RQD 岩石质量目的，其取值方法见式51； Jh 节理组数目，岩体愈破碎，Jh取值愈大，可参考以下阅历数值； 没有或很少节理， Jh 0.51.0； 两个节理组时， Jh 4； 破碎岩体时， Jh 20。 Jr 节理粗糙度，节理愈光滑，Jr取值愈小，可参考以下阅历数值； 不延续节理， Jr 4； 平整光滑节理， Jr 0.5等。 Ja 节理蚀变值，蚀变愈严重，Ja取值愈大，可参考以下阅历数值； 节理面严密结合，节理中填充物巩固不软化，Ja 0

8、.75； 节理中填充物是膨胀性粘土，如蒙脱土，Ja 812等。 Jw 节理含水折减系数，节理渗水量愈大，水压愈高，Jw取值愈小，可参考以下阅历数值； 微量渗水，水压 1.0为原生型或构外型密闭巨块状构造较发育23组平均间距0.4呈X形，较规那么，以构外型为主，多数为密闭部分微张，少有充填物大块状构造发育3组平均间距3组，杂乱，平均间距9585757586507525504.53.54.52.54.01.53.01.02.01.01.5饱和粘土I0.81.00.60.80.40.60.20.40.2 锤击法时采用低值I划分。四隧道施工围岩分级施工阶段围岩级别的断定是一个重要而现实的问题。施工阶段

9、围岩分级的评定要素采用围岩巩固程度、围岩完好性程度、和地下水形状三项要素，细分为十三个子要素，见图5.1.2。 图5.1.2 施工阶段围岩分级的评定要素在三个要素中，最困难的是围岩完好性程度的评定，研讨的重点是如何根据掌子面的地质数据评价围岩的完好程度。由于隧道开挖，掌子面的地质形状暴露无遗，为评定掌子面的稳定，提供了充分的根底。根据对国内外施工阶段围岩分级的调查，应采用多种方法对围岩完好程度进展分级，采用定性和定量相结合的方法，如可采用图5.1.3的目的 图5.1.3施工阶段围岩分级完好程度的分级目的5.2 围岩压力确实定 5.2.1 围岩压力的概念 人们对围岩压力的认识，是从开挖侗穴后围岩

10、的出现初坍塌的景象开场的。随着隧道和地下工程的开展，人们从支撑和衬砌的变形、开裂和破坏景象，进一步认识到围岩压力的存在。在稳定的地层中开挖坑道，由于围岩在爆破后发生松动以及暴露后遭到风化，个别落石景象也不可防止。在完好而巩固的岩层中开挖隧道，也会遇到小块岩石忽然脱离岩体向隧道内弹出，人们称为“岩爆，这些都是围岩压力的景象，为了保证隧道有足够的净空，就要建筑支护构造，以阻止围岩的挪动和崩塌，支护构培育是用来接受围岩压力。本节所论述的围岩压力系指松动压力，至于所涉及的弹塑性实际在“新奥法一节中引见。5.2.2围岩压力的产生围岩压力的产生是隧道工程的一个重要的力学特征，隧道是在具有一定的应力历史和应

11、力场的围岩中建筑的。所以，围岩的初始应力场的形状极大地影响着在其中发生的一切力学现像，这是和地面工程极其不同的。因此，我们需求研讨隧道开挖前后围岩的应力形状，这对指点我们隧道的设计与施工有着重要意义。一围岩的初始地应力场通常所指的初始应力场泛指隧道开挖前岩体的初始静应力场，它的构成与岩体构造、性质、埋藏条件以及构造运动的历史等有亲密关系。在隧道开挖前是客观存在的，在这种应力场中建筑隧道就必需了解它的形状及其影响。岩体的初应力形状与施工引起的附加应力形状是不同的，它对坑道开挖后围岩的应力分布、变形和破坏有着极其重要的影响。可以说，不了解岩体初应力形状就无法对隧道开挖后一系列力学过程和景象作出正确

12、的评价， 图5.2.1地表程度时的自重应力场 岩体的初应力形状普通遭到两类要素的影响：第一类要素有重力、温度、岩体的物理力学性质、岩体的构造、地形等经常性的要素；第二类要素有地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性的或部分性的要素。因此，初应力场是由两种力系构成，即 + (5.2.1) 式中：一 自重应力分量； 一 构造应力分量。 在上述要素中，目前主要研讨和运用的是由岩体的膂力或重力构成的应力场，称为自重应力场。而其它要素只以为是改动了由重力呵斥的初应力形状。普通来说，重力应力场可以采用延续介质力学的方法。它的可靠性那么决议于对岩石的物理力学性质及岩体的构造一力学性质的研讨，其误差通常是

13、较大的。而其它要素呵斥的初应力场，主要是用实验现场实验方法完成的。 1自重应力场我们研讨具有程度成层。地面平坦的情况。如图5.2.1所示，设岩体是线性变形的，在xz平面内是均质的，沿y轴方向是非均质的，设E、分别为沿垂直方向的岩体弹性模量和泊松比， E1、1为沿程度方向的岩体弹性模量和泊松比。因岩体的变形性质沿深度而变，故可假定：EEy； =(y) ； E1E1y；1=1(y)。单位体积分量也以为是沿深度而变，即(y);这样，距地外表h深处一点的应力形状如图5.2.1所示，其计算式可表示如下： y=(y)dy x=x(y) (5.2.2) z=z(y) xy=xz=yz= 0 式满足了地面的边

14、境条件，h0，y0。 普通以为，处于静力平衡形状的岩体内，沿程度方向的变形等于零，故 x=z(E/E1)1 /(1-) y (5.2.3) 当EE1=常数，1常数时，那么得出大家熟知的公式 x=z/(1-) y 5.2.4 设=/(1-),称之谓侧压力系数，那么上式可写成 x=zy (5.2.5) 显然当垂直应力知时，程度应力的大小决议于围岩的泊松比。大多数围岩的泊松比变化在0.150.35之间，因此，在自重应力场。程度应力通常是小于垂直应力的。 深度对初始应力形状有着艰苦影响。随深度的增力，y 和xz都在增大，但围岩本身的强度是有限的，因此当y 和x添加到一定值后，各向受力的围岩将处于隐塑性

15、形状。在这种形状下，围岩物性值E、是变化的，值也是变化的，并随深度的添加，值趋于1，即与静水压力类似，此时围岩接近流动形状。上述各式所表达的应力场是实际性的，实践情况中，由于地壳运动，岩层会产生各种变动，如构成向斜、背斜、断裂等，在这种情况下，围岩的初始应力场也有所变化。如以垂直成层为例，由于各层的物理力学性质不同，在同一程度面上的应力分布能够是不同的；在背斜情况下，由于岩层成拱状分布，使上层岩层分量向两侧传送，直接处于背斜下的岩层遭到较小的应力图5.2.2，在被断层分割的楔形岩块情况中图5.2.3也可察看到类似情况。在实践任务的运用中是不能忽视的。图5.2.2 背斜构造的自重应力场 图5.2

16、.3 断层构造的自重应力场2构造应力场地层的应力场是由自重应力场和构造应力场构成的。地质学家以为：地层各处发生的一切构造变形与破裂都是地应力作用的结果，因此地质力学就把构造体系和构造方式在构成过程中的应力形状称为构造应力场。构造应力场是随时间变化的动态场。由于构造应力场的不确定性，很难用函数方式表达。它在整个初始应力场中的作用只能经过某些量测数据来分析，在实践工程中运用较少。普通以为，构造应力场具有以下特性：1地质构造形状不仅改动了重力应力场，而且以各种构造形状获得释放，还以各种方式积存在岩体内，这种剩余构造应力将对隧道工程产生艰苦影响。2构造应力场在较浅的地层中已普遍存在，而且最大构造应力场

17、的方向，近似为程度，其值经常大于重力应力场中的程度应力分量，甚至大于垂直应力分量，这与重力应力场有较大的差别。3构造应力场是不均匀的，它的参数在空间和时间上都有较大的变化，尤其是它的主应力轴的方向和绝对值的变化很大。求解初始应力场，结果经常有极大的偏向。因此，在实际分析中，常把初始应力场按静水应力场来处置。在某些重要的工程中，多采用实地量测的方法，来判别主应力的大小及其方向的变化规律。二隧道开挖后的应力场隧道的开挖，移走了隧道内原来受力的部分岩体，破坏了围岩初始应力场的平衡形状，围岩从相对静止的形状转变为变动的形状。围岩力图到达一个新的平衡，其应力和应变开场一个新的变化运动，运动的结果，使得围

18、岩的应力重新分布并向开挖的隧道空间变形。实际和实验证明，隧道开挖后，解除了部分围岩的约束，在隧道周围初始应力将沿隧道一定范围重新分布，普通情况下，应力形状如图5.2.4所示，构成三个区域。 图5.2.4 隧道开挖后的应力形状I区域称为低应力区，在有裂隙和破碎的岩石中，或松软围岩中，由于岩体强度小，隧道开挖后，岩体不能接受急剧增大的周边应力而产生塑性变形，使隧道周边的围岩应力松弛而构成一个应力降低的区域，使高应力向岩体深处转移，被扰动的这部分岩体就开场向隧道内变形。变形值超越一定数值，岩体那么出现挪动、坍塌或处于蠕动形状。 II区域称为高应力区，这一部分岩钵也遭到了扰动，在应力重分布的过程中使这

19、个范国内岩体的应力升高，但强度尚未被破坏，实践相当于构成了一个承载环，起到承载的作用。 III区域为原始应为区，间隔 隧道较远的岩体未遭到开挖的影响，仍处于原始的应力形状。 在极巩固面完好的围岩中，隧道周边应力急剧增高，由于岩体强度大，未构成如松软破碎岩体那种变形过大和开裂坍塌的情况，因此不存在应力降低区，而只需高应力向原始应力过渡的重分布特点，所以往往不需求设置支护构造来提供外加平衡力。换句话说，这种隧道是自稳的。 综上所述，隧道的开挖，破坏了围岩原有的平衡，产生了变形和应力重新分布。但是这种变化开展不是无限的，它总是为了到达新的平衡而处在一种新的应力形状中。上述分析阐明开挖隧道对围岩稳定的

20、影响是较大的，影响的程度视地质条件、隧道外形、施工方法而异。公路隧道设计规范规定，隧道开挖破坏了的岩体的分量就是作用在支护构造上围岩压力的来源。当然，现代隧道施工技术是不会让这种景象自在开展，从爆破手段和初期支护上采取措施，阻止隧道周边岩体过大的变形和坍塌，使围岩成为主要的承载体。5.2.3围岩压力确实定方法围岩压力确实定目前常用有以下三种方法：1直接量测法； 是一种切合实践的方法，对隧道工程而言，也是研讨开展的方向；但由于受量测设备和技术程度的制约，目前还不能普遍常用。2阅历法或工程类比法； 是根据大量以前工程的实践资料的统计和总结，按不同围岩分级提出围岩压力的阅历数值，作为后建隧道工程确定

21、围岩压力的根据的方法。是目前运用较多的方法。3实际估算法； 是在实际的根底上从实际上研讨围岩压力的方法。由于地质条件的不确定性，影响围岩压力的要素又非常多，这些要素本身及它们之间的组合也带有一定的偶尔性，企图建立一种完善的和适宜各种实践情况的通用围岩压力实际及计算方法是困难的，因此，现有的围岩压力实际都不非常切合实践情况。在实际计算方法中，思索几个主要要素，使其结果相对地接近实践围岩压力的情况，是目前隧道工程设计中采用较多的方法。普通来讲，都是以某种简化的假设为前提，或以实践工程的统计分析资料为根底。深埋隧道围岩压力确实定 目前我国公路隧道和铁路隧道所采用的计算围岩竖向匀布压力的计算式，是以工

22、程类比为根底，统计分析了我国数百座隧道坍方调查资料而拟定的。围岩竖向匀布压力q按下式计算： q = 0.45 26-s (kN/m2) (5.2.6)式中 S 围岩级别，如属II级，那么S2； 围岩容重， (kN/m2)； 1+ i(B-5) 宽度影响系数； B 隧道宽度，m；以B5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率。当B 5m.,取i 0.1。公式5.2.6的适用条件为：H/B 1.7， 式中H 为隧道高度；深埋隧道；不产生显著偏压力及膨胀力的普通隧道；采用钻爆法施工的隧道。围岩的程度匀布压力e ，按表5.2.1中的阅历公式计算。 表5.2.1 围岩程度匀布压力围岩级别VI、VIVII

23、IIII程度匀布压力0 1.0m 大块状 d = 0.41.0m 岩体 碎石块石状 d = 0.20.4m 碎石状 d 0.2m围岩 土石状 松散状 土体 松软状 图 5.3.2 岩土体类型图中d为裂隙间距。所指的裂隙是广义的，它包括层理、节理、断裂及夹层等；具有很大节理强度的裂隙不包括在内，如硅质、钙质胶结的等。 思索到岩体的构造形状、岩块的大小、以及构造面的特征，隧道围岩分级采用的岩体构造特征及其分类如表5.3.1所示。表中简要地多各类岩体构造的工程地质进展评价。对土体的分类及其评价见表5.3.2。表5.3.1 岩体构造类型及其特征类 型形状构造面特征工程地质评价间距m)性质张开程度充填情

24、况整体构造巨块状多数10多为原生型或构外型多密闭延展不长岩体的整体强度较大，变形特征接近于均质、弹性、各向同性体砌体构造大块状多数04以构外型为主多密闭部分微张少有充填同上，但要留意不利于岩体稳定的结构面组合，如平缓节理镶嵌构造块(石)碎(石)状多数04以构外型或风化型为主大部分微张或部分张开部分为粘性土充填岩体在整体上强度仍高，但不延续性较为显著，受过度震动易坍，压碎构造碎石状多数02以风化型或构外型为主微张或张开部分为粘性大充填岩体完好性破坏较大，强度受断层及弱面控制，并易受地下水影响，岩体稳定差松散构造角砾碎石状岩体强度遭到极大破坏，接近松散介质，稳定性极差松软构造泥砂角砾状同上，但粘土

25、性成分较多，易于蠕动表5.3.2 土体类型及其评价类 型土 体 状 态工程地质评价粘 性 土非 粘 性 土硬士类略具压密或成岩作用的粘性土，老黄土略具压密或成岩作用的非粘性土，泥质胶结的碎、卵石土，大块石或大漂石土构造密实，具有一定的构造强度，小跨度时土体稳定普通土类普通第四纪成因的可塑的粘性土，新黄土普通第四纪成因的稍湿至潮湿的非粘性土、包括普通碎、卵、砾石土构造中等密实，构造强度较小，土体不够稳定 松软土类 软塑状粘性土 潮湿的粉细砂易蛹动，液体，土体稳定性最差 岩体构造形状的特征是相互联络的，构成了裂隙岩体的根本特性。是影响围岩分级的重要要素。 岩石的工程性质 岩石的工程性质是多方面的，

26、普通主要指岩石的强度或巩固性。在岩体构造形状成为控制围岩稳定的主要要素时，强调岩石强度意义是不大的。例如，在碎块状岩体中，岩石强度再大也阻止不了隧道围岩的坍落。但在较为完好的岩体构造中，如整体的巨块状构造，或大块状构造，岩石强度就具有一定的意义。所以岩石强度在完好的岩体中是起主要作用的。 完好岩体，普通都是以为均质的延续介质。隧道开挖后，围岩强度高，具有极大的稳定性，仅在个别情况下有部分的碎块、剥离景象。在这种情况下进展实际分析也是以岩石强度为根据。此外，在决议某些裂隙岩体的强度时，也是要以岩石强度为根底。 在围岩分级中，岩石的巩固性或强度都是以岩石的单轴饱和极限抗压强度为基准，这是由于它的实

27、验方法简便，数据分散性小，且与其它物性目的有着良好的互换性。依岩石试件抗压强度进展岩石分级的基准。 岩石的强度因风化作用和水的作用会大大降低。风化时，岩石产生风化裂隙使水易于浸入，岩体潮湿，减少了岩石晶粒间的联络，因此强度减小，故实验时多以湿饱和强度为基准。地下水的作用和影响 隧道施工的大量实际证明，水是呵斥施工坍方、使隧道围岩丧失稳定的重要缘由之一。因此，在隧道围岩分级中水的影响是不容忽视的。在不同的围岩中水的影响是不一样的，普通有以下几种情况： a使岩质软化，强度降低，对软岩尤为明显，对土体那么可促使其液化或流动； b在有脆弱构造面的围岩中，会冲走充填物或使夹层液化，减少层间摩阻力促使岩块

28、滑动； c在某些围岩中，如石膏、岩盐和蒙脱石为主的粘土岩中，遇水后产生膨胀，在未胶结或弱胶结的砂岩中可产生流砂和潜蚀。 因此，在围岩分级中都思索了水的影响。在同级围岩中，遇水后那么适当降低围岩级别。降低的幅度主要视：围岩的岩性及构造面的形状、地下水的性质和大小、流通条件、对围岩浸润情况和危害程度而确定。在围岩分级中，关于地下水影响的定量思索可参考表5.3.3和表5.3.4。表5.3.3 地下水形状的分级 级别 状 态 每10m的涌水量(l/min)IIIIII 枯燥或潮湿 偶有渗水 经常渗水 10 1025 25325表5.3.4 地下水影响的修正 修正级别地下水形状围岩的根本分级VIVIVIIIIIIIIIVIVIIIIVIIIIIIIIVIIVIIIIIIIVIVIIIIII围岩的初应力形状 围岩的初应力形状对岩体的构造一力学特征是有一定影响的。它在某些分级中曾有所反映，例如K泰沙基的分级，曾把同样是挤压变形缓慢的岩层视其埋深的不同分为两类，其荷载值有很大差别(约差1倍)，这是思索初应力形状的结果。又如岩体质量Q法的分级，在思索初应力形状的影响方面，就更进一步了，如将初应力分为低应力(接近地表的)、中等应力的及高应力的几种情况，还划分出在